[发明专利]一种硅位掺杂改善稀土正硅酸盐闪烁材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种硅位掺杂改善稀土正硅酸盐闪烁材料及其制备方法和应用，所述硅位掺杂改善稀土正硅酸盐闪烁材料的化学式为RE_2(1‑x)Ce_2xSi_(1‑y)M_yO₅，其中RE为稀土离子，M为硅格位的取代离子，选自铝Al、铍Be、硼B、碳C、磷P、钒V、铁Fe、锗Ge、砷As、硒Se、碲Te中至少一种；0＜x≤0.05，0＜y≤0.1。

技术领域

本发明涉及一种具有优异发光性能的硅位掺杂改善稀土正硅酸盐闪烁材料及其制备方法及其应用，属于涉及闪烁材料技术领域。

背景技术

无机闪烁材料是一种能将高能光子(X/γ射线)或粒子(质子、中子等)的能量转换成易于探测的紫外/可见光子的晶态能量转换体。无机闪烁晶体做成的探测器被广泛应用于高能物理、核物理、空间物理、核医学诊断(XCT、PET)、地质勘探以及安全稽查等领域。随着核探测及相关技术的飞速发展，对闪烁晶体的性能提出了更高要求，传统的NaI(Tl)、BGO、PWO等闪烁晶体已经无法满足应用要求，新一代的铝酸盐和硅酸盐闪烁晶体由于其高光输出、快衰减等特性，逐渐成为研究热点。

目前闪烁材料的发展趋势是围绕高输出、快响应、高密度等性能为中心，通过以下两种渠道开展新型闪烁材料的探索研究，提高和改善材料性能：1)通过不同离子的共掺杂，改善现有闪烁材料的不足，提高其闪烁性能，如光产额等；2)通过微观缺陷、共掺杂与闪烁性能之间的相互关系，减少和抑制有害点缺陷，降低闪烁过程中的无辐射跃迁对能量转换的损耗。以稀土离子Ce³⁺作为激活剂，利用Ce³⁺的5d→4f宇称允许跃迁来获得高强度快衰减发光，如：Ce:YAG、Ce:GAGG、Ce:LYSO、Ce:GSO、Ce:YAP、Ce:LuAP等是出现的一批新型闪烁材料。和传统NaI:Tl，BGO，BaF₂，PWO无机闪烁晶体相比，Ce离子掺杂的高温氧化物晶体兼具有高光输出(约为BGO晶体的2-10倍)和快衰减(约为BGO晶体的1/5-1/20)特性，因此，这类性能优良的闪烁晶体引起科学界的高度重视。Ce离子掺杂的正硅酸盐(硅酸钇LSO晶体和硅酸钇镥(LYSO晶体)因在医学PET(正电子发射断层摄影法)机和工业部门中的计算机断层摄影(CT扫描仪)系统中的重要应用而备受关注，具有高光输出、快发光衰减、有效原子序数多、密度大等特性，是性能优良的闪烁晶体。

目前对于Ce离子掺杂的稀土正硅酸盐闪烁体系，相关文献聚焦于Ce³⁺所在的稀土格位以及氧所在的阴离子格位的调控。激活离子Ce³⁺进入稀土格位具有两种化学环境(记为Ce1和Ce2)，Ce1相对Ce2而言发光效率更高，衰减时间更短。对稀土格位进行掺杂调节晶体内Ce1和Ce2的含量，可以有效地改善晶体性能。例如，已经报道了Mg、Ca、Tb在LSO:Ce中的共掺杂效应，发现共掺杂0.2at.％的Ca能提高晶体的光输出，Ca共掺杂导致LSO:Ce中Ce1的含量增多。专利1(中国公布号CN108059957A)公开了稀土格位用Ca或者Mg掺杂，氧位则用F或者Cl阴离子共同掺杂可提高正硅酸盐光输出且降低余辉。专利2(中国公布号CN108139492A)公开了向A₂SiO₅硅酸盐闪烁体材料的A位掺杂V、Fe元素实现非辐射能量转移从被激发的发光中心带离部分能量，从而导致闪烁响应的主波幅成分的持续时间被显著缩短。中国专利3(公开号CN108560053A)公开了一种镧、镝、铈共掺的硅酸钇镥闪烁材料及其晶体生长方法，通过在LYSO:Ce中共掺杂Dy、La，增加晶体生长的空位，避免晶体氧化过度，保证晶体闪烁性能，拓宽晶体发光光谱，但是晶体最重要的时间性能没有得到改善。中国专利4(公开号CN105986320A)公开了Sc,Ce共掺杂的硅酸镥、硅酸钇镥晶体及其熔体法生长方法，可将荧光寿命缩短到20ns左右，但是Sc离子的掺入会降低Ce离子在晶体中的分凝系数，且不利于能量分辨率。然而，目前对纯粹的稀土正硅酸盐闪烁材料的硅格位的掺杂未见报道。

发明内容